JP5825635B2 - Optical measuring apparatus and optical measuring method - Google Patents
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Description
本発明は、試料へ向けて励起光を照射し、励起光によって励起されて試料から放射される信号光を検出する光学測定装置および光学測定方法に関する。 The present invention relates to an optical measurement apparatus and an optical measurement method for irradiating a sample with excitation light and detecting signal light excited by the excitation light and emitted from the sample.
Siデバイスの性能は、デバイス領域にかかる応力により大きく影響される。例えば、トランジスタのチャネル領域に加わる応力は電子や正孔の易動度に大きな影響を与えるので、近年、意図的に応力をかけることにより、デバイスの特性向上が図られるようになっている。しかしながら、トランジスタごとに加わる応力が異なると、特性がばらついてしまう。特に、シリコンなどの半導体のバンドギャップは応力に敏感に依存するので、応力の変動があると、トランジスタのしきい値電圧が変化し、集積回路が動作しなくなる。したがって、デバイス中にどのような応力が入っているのかを測定する手段の開発が重要な研究開発テーマとなっている。 The performance of Si devices is greatly influenced by the stress applied to the device region. For example, stress applied to a channel region of a transistor has a great influence on the mobility of electrons and holes, and in recent years, device characteristics have been improved by intentionally applying stress. However, if the applied stress differs for each transistor, the characteristics vary. In particular, since the band gap of a semiconductor such as silicon depends sensitively on stress, if the stress varies, the threshold voltage of the transistor changes and the integrated circuit does not operate. Therefore, the development of means for measuring the stress in the device is an important research and development theme.
ラマン散乱法は、Siデバイス領域の応力分布を非破壊測定できる方法の一つとして大きな注目を集めている。520cm-1に現れるSiのラマンピークは、引っ張り応力が作用すると低波数側にシフトし、圧縮応力が作用すると高波数側シフトする。したがって、ラマンスペクトルのピーク波数シフトの空間分布を測定することにより、原理的には、応力分布を測定できる可能性がある。 The Raman scattering method has attracted a great deal of attention as one method capable of nondestructive measurement of the stress distribution in the Si device region. The Raman peak of Si appearing at 520 cm −1 shifts to the low wave number side when tensile stress acts, and shifts to the high wave number side when compressive stress acts. Therefore, in principle, there is a possibility that the stress distribution can be measured by measuring the spatial distribution of the peak wave number shift of the Raman spectrum.
ところが、ラマン散乱光のシフト量は、応力の大きさだけでなく、種類(応力が、一軸性あるいは二軸性の張力あるいは圧縮、または剪断応力などのいずれか)や方向に依存するので、通常、ラマンシフト量の測定だけでは、1軸性応力なのか、2軸性応力なのか、まして、どの方向の応力であるのか等の情報は分からず、応力の大きさの定量測定も不可能であった。このような理由により、従来のラマン散乱測定は、応力分布の定性的な測定に留まっていた。 However, the amount of shift of the Raman scattered light depends not only on the magnitude of the stress, but also on the type (stress is either uniaxial or biaxial tension or compression, shear stress, etc.) and direction. However, it is impossible to measure the magnitude of the stress by measuring only the amount of Raman shift, and it is not possible to know information such as whether it is uniaxial stress or biaxial stress, and in which direction the stress is. there were. For these reasons, the conventional Raman scattering measurement has been limited to the qualitative measurement of the stress distribution.
ここで、Si等、ダイヤモンド格子の結晶のラマンモードは、3重に縮退しており、縦光学(LO)フォノンに起因する一つのモード(以下、LOフォノンモードと記載する。)と横光学(TO)フォノンに起因する二つのモード(以下、TOフォノンモードと記載する。)とからなる。この縮退は、応力を印加すると分裂し、その分裂の仕方は応力の種類や方向により異なるため、特許文献1や非特許文献1に記載されているように、ラマンモードの分裂の仕方を解析すれば、応力の種類や、方向、大きさを評価することが可能になる。例えば、非特許文献1では、Siの(110)面での測定をもとに応力解析を行っている。(110)面では、LOフォノンモードとTOフォノンモードの双方を測定することが可能となる。
Here, the Raman mode of a crystal of diamond lattice such as Si is triple degenerate, and one mode (hereinafter referred to as LO phonon mode) due to longitudinal optical (LO) phonon and lateral optical ( TO) consists of two modes caused by phonons (hereinafter referred to as TO phonon mode). This degeneration splits when a stress is applied, and the way of splitting differs depending on the type and direction of the stress. Therefore, as described in
通常、Siデバイスは、Si(001)表面に作製されるが、(001)面での後方散乱配置では、三つのラマンモードのうちLOフォノンモードしか検出することはできない。これは、(001)面における後方散乱配置では、励起光の偏光方向は、試料表面である(001)面に平行になるが、ラマン選択則によると、(001)面に平行な光による励起では、LOフォノンモードしか検出できず、TOフォノンモードは、(001)面に垂直な偏光を用いないと励起できないからである。 Usually, the Si device is manufactured on the Si (001) surface, but in the backscattering arrangement on the (001) plane, only the LO phonon mode among the three Raman modes can be detected. This is because in the backscattering arrangement on the (001) plane, the polarization direction of the excitation light is parallel to the (001) plane which is the sample surface, but according to the Raman selection rule, excitation by light parallel to the (001) plane This is because only the LO phonon mode can be detected, and the TO phonon mode cannot be excited unless polarized light perpendicular to the (001) plane is used.
したがって、Siでも、(001)面に垂直な偏光成分を有する光で励起してやれば、二つのTOフォノンモードを検出することが可能になり、(001)面に平行な偏光で励起して得られるLOフォノンモードの情報と合わせて、応力の種類や方向、大きさに関する解析を行うことが可能になる。 Therefore, even if Si is excited with light having a polarization component perpendicular to the (001) plane, two TO phonon modes can be detected and obtained by being excited with polarized light parallel to the (001) plane. Together with the LO phonon mode information, it is possible to perform analysis on the type, direction and magnitude of stress.
ここで、後方散乱配置の顕微ラマン測定では、高い開口数(NA)の対物レンズを用いると、対物レンズ周辺部を通ってきた光は、Si(001)面に浅い角度で入射するため、大きな垂直方向([001]方向)の偏光成分を有することになるため、垂直方向の偏光成分で励起されるTOフォノンモードも検出することが可能になる。 Here, in the micro-Raman measurement of the backscattering arrangement, when an objective lens having a high numerical aperture (NA) is used, the light passing through the periphery of the objective lens is incident on the Si (001) surface at a shallow angle, so that it is large. Since it has a polarization component in the vertical direction ([001] direction), the TO phonon mode excited by the polarization component in the vertical direction can also be detected.
ところが、図2(a)に示されているように、対物レンズ中心に対して互いに180度反対側(すなわち対物レンズの中心に関して点対称な位置)を通ってきた光は、焦点において、集光された光の垂直方向(詳細には試料面に垂直な方向)の偏光成分が打ち消される一方、横方向(試料面に平行な方向)の偏光成分は強め合うようになっているため、横方向の偏光で励起されるラマンモードの信号が極めて大きくなり、垂直方向の偏光成分で励起される信号成分が覆い隠されてしまうという問題点があった。 However, as shown in FIG. 2 (a), the light that has passed through the opposite sides of the objective lens center by 180 degrees (that is, a point symmetric position with respect to the center of the objective lens) is condensed at the focal point. The polarized light component in the vertical direction (specifically, the direction perpendicular to the sample surface) of the applied light is canceled, while the polarized light component in the horizontal direction (direction parallel to the sample surface) is intensified. The Raman mode signal excited by the polarized light becomes very large, and the signal component excited by the vertically polarized light component is obscured.
よって、本発明の目的は、従来技術に存する問題点を解消して、光学測定において、試料表面に垂直な偏光方向の光で励起することを可能にすることにある。また、他の目的は、ラマン測定において、試料表面に垂直な偏光方向の光で励起して、様々なラマンモードの信号を検出することにより、結晶中の内部応力の方向や種類、大きさを評価することを可能にすることにある。 Therefore, an object of the present invention is to eliminate the problems existing in the prior art and to enable excitation with light having a polarization direction perpendicular to the sample surface in optical measurement. Another purpose is to detect the direction, type, and magnitude of internal stress in the crystal by detecting various Raman mode signals by exciting with light in the polarization direction perpendicular to the sample surface. It is to make it possible to evaluate.
上記目的に鑑み、本発明は、第1の態様として、試料へ向けて励起光を照射し、励起光によって励起されて試料から放射される信号光を検出器によって検出する光学測定装置であって、前記試料へ向かう前記励起光の光路上に配置されるZ偏光子と、前記Z偏光子により偏光された励起光を試料面に集光する対物レンズと、前記試料から前記検出器へ向かう前記信号光の光路上に配置される直線偏光子とを備え、前記Z偏光子を用いた偏光と前記対物レンズによる集光とにより、前記試料面に垂直な偏光方向の励起光を前記試料面に入射させると共に、前記直線偏光子を用いた偏光で、前記試料面に垂直な偏光方向の励起光で励起された前記信号光のうちの予め定められた偏光方向の前記信号光を前記検出器に入射させ、検出させるようにした光学測定装置を提供する。 In view of the above-described object, the present invention provides, as a first aspect, an optical measurement apparatus that irradiates a sample with excitation light and detects the signal light excited by the excitation light and emitted from the sample by a detector. A Z polarizer disposed on the optical path of the excitation light toward the sample, an objective lens for condensing the excitation light polarized by the Z polarizer on the sample surface, and the sample from the sample toward the detector A linear polarizer disposed on the optical path of the signal light, and excitation light having a polarization direction perpendicular to the sample surface is applied to the sample surface by polarization using the Z polarizer and condensing by the objective lens. The signal light having a predetermined polarization direction out of the signal light, which is polarized by using the linear polarizer and excited by the excitation light having a polarization direction perpendicular to the sample surface, is incident on the detector. Make it enter and detect Providing an optical measurement device.
上述したように、従来の光学測定装置では、図2(a)に示されているように、対物レンズ中心に関して点対称な位置を通ってきた光は、焦点において、集光された光の垂直方向の偏光成分が打ち消される一方、横方向(試料面に平行な方向)の偏光成分は強め合うようになっており、試料面に垂直な方向の偏光成分を十分に含んだ光を試料に照射することができなかった。そこで、上記光学測定装置では、励起光の光路中にZ偏光子を配置し、対物レンズの中心に関して点対称な位置を通過する光の電場ベクトルの方向(偏光方向)を180度反転させた後に対物レンズで集光させている。これにより、図2(b)のように、試料面に対して垂直方向の偏光成分は強め合い、横方向(試料面に対して平行な方向)の偏光成分は打ち消し合うことになる。したがって、試料面に垂直な方向の偏光成分を十分に含んだ励起光を試料に照射することが可能になる。 As described above, in the conventional optical measurement apparatus, as shown in FIG. 2A, the light that has passed through the point-symmetrical position with respect to the center of the objective lens is perpendicular to the focused light at the focal point. While the polarization component in the direction is canceled out, the polarization component in the lateral direction (direction parallel to the sample surface) is intensified, and the sample is irradiated with light that sufficiently contains the polarization component in the direction perpendicular to the sample surface. I couldn't. Therefore, in the above optical measurement device, a Z polarizer is disposed in the optical path of the excitation light, and the direction of the electric field vector (polarization direction) of light passing through a point-symmetrical position with respect to the center of the objective lens is reversed by 180 degrees. It is condensed with an objective lens. As a result, as shown in FIG. 2B, the polarization components in the direction perpendicular to the sample surface are intensified, and the polarization components in the lateral direction (direction parallel to the sample surface) cancel each other. Therefore, it is possible to irradiate the sample with excitation light that sufficiently includes a polarization component in a direction perpendicular to the sample surface.
上記光学測定装置では、前記信号光が前記試料面に垂直な偏光方向の励起光で励起されたラマン散乱光であることが好ましい。この場合、前記検出器によって検出されたラマン散乱光のスペクトルのピークのシフト量に基づいて、前記試料に作用する応力を測定することができる。 In the optical measurement apparatus, it is preferable that the signal light is Raman scattered light excited by excitation light having a polarization direction perpendicular to the sample surface. In this case, the stress acting on the sample can be measured based on the shift amount of the peak of the spectrum of the Raman scattered light detected by the detector.
上述したように、上記光学測定装置では、励起光の光路中にZ偏光子を配置することによって、試料面に対して垂直方向の偏光成分は強め合い、横方向(試料面に対して平行な方向)の偏光成分は打ち消し合うことができるので、信号光としてラマン散乱光を利用するラマン散乱測定において、試料面に垂直な方向の偏光成分で励起されるTOフォノンモードをより強く検出することができるようになり、詳細な応力解析が可能となる。 As described above, in the optical measurement apparatus, by arranging the Z polarizer in the optical path of the excitation light, the polarization component in the direction perpendicular to the sample surface is strengthened, and the lateral direction (parallel to the sample surface) is obtained. Since the polarization component of (direction) can cancel each other, the TO phonon mode excited by the polarization component in the direction perpendicular to the sample surface can be detected more strongly in Raman scattering measurement using Raman scattered light as signal light. It becomes possible to perform detailed stress analysis.
前記Z偏光子は、例えば、二つの半波長板によって構成することができる。 The Z polarizer can be constituted by two half-wave plates, for example.
上記光学測定装置は、前記試料へ向かう前記励起光の光路上であって前記Z偏光子の後ろに配置される直線偏光子をさらに備え、前記Z偏光子によって偏光された励起光のうちの予め定められた偏光方向の励起光を前記試料面に照射させるようになっていることが好ましい。 The optical measurement apparatus further includes a linear polarizer disposed on the optical path of the excitation light toward the sample and behind the Z polarizer, and the optical measurement apparatus previously includes excitation light polarized by the Z polarizer in advance. It is preferable that the sample surface is irradiated with excitation light having a predetermined polarization direction.
また、上記光学測定装置は、前記対物レンズの中央部を通る光を遮断し且つ前記対物レンズの中央部の周辺部で励起光の通過を許容する絞りをさらに備えることが好ましい。 The optical measurement device preferably further includes a diaphragm that blocks light passing through a central portion of the objective lens and allows passage of excitation light at a peripheral portion of the central portion of the objective lens.
さらに、本発明は、第2の態様として、試料へ向けて励起光を照射し、励起光によって励起されて試料から放射される信号光を検出する光学測定方法であって、Z偏光子で偏光した励起光を対物レンズで試料面に集光し、入射させると共に、直線偏光子を用いた偏光で、前記試料面に垂直な偏光方向の励起光で励起された前記信号光のうちの予め定められた偏光方向の前記信号光を検出するようにした光学測定方法を提供する。 Furthermore, the present invention provides, as a second aspect, an optical measurement method for irradiating a sample with excitation light and detecting signal light that is excited by the excitation light and emitted from the sample, and is polarized by a Z polarizer. The excitation light collected by the objective lens is incident on the sample surface and incident, and the signal light that has been polarized by using a linear polarizer and excited by excitation light having a polarization direction perpendicular to the sample surface is predetermined. Provided is an optical measurement method for detecting the signal light in the polarized direction.
上記光学測定方法では、前記信号光が前記試料面に垂直な偏光方向の励起光で励起されたラマン散乱光であることが好ましい。この場合、検出されたラマン散乱光のスペクトルのピークのシフト量に基づいて、前記試料に作用する応力を測定することができる。 In the optical measurement method, the signal light is preferably Raman scattered light excited by excitation light having a polarization direction perpendicular to the sample surface. In this case, the stress acting on the sample can be measured based on the shift amount of the detected spectrum peak of the Raman scattered light.
例えば、二つの半波長板によってZ偏光子を構成することができる。 For example, a Z polarizer can be constituted by two half-wave plates.
さらに、前記Z偏光子を通った励起光をさらに直線偏光子に通して、前記Z偏光子によって偏光された励起光のうちの予め定められた偏光方向の励起光を前記試料面に照射させることが好ましい。 Further, the excitation light having passed through the Z polarizer is further passed through a linear polarizer to irradiate the sample surface with excitation light having a predetermined polarization direction out of the excitation light polarized by the Z polarizer. Is preferred.
また、前記対物レンズの中央部を通る光を遮断し且つ前記対物レンズの中央部の周囲で励起光の通過を許容するようにすることが好ましい。 Further, it is preferable to block light passing through the central portion of the objective lens and to allow passage of excitation light around the central portion of the objective lens.
前記試料は、ダイヤモンド構造又は閃亜鉛鉱型構造を有する結晶としてもよく、Si、Ge及びIII−V族結晶からなる群の一つとすることもできる。 The sample may be a crystal having a diamond structure or a zinc blende type structure, and may be one of a group consisting of Si, Ge, and III-V group crystals.
さらに、上記光学測定方法では、例えば、前記Z偏光子による偏光と前記対物レンズによる集光とにより前記試料の<110>方向に偏光した励起光を前記試料に入射させて前記信号光を励起し、前記信号光の光路上に配置された前記直線偏光子によって前記試料の<110>方向と垂直な偏光方向の信号光を前記検出器に入射させてもよく、また、前記Z偏光子による偏光と前記対物レンズによる集光とにより前記試料の<100>方向に偏光した励起光を前記試料に入射させて前記信号光を励起し、前記信号光の光路上に配置された前記直線偏光子によって前記試料の<100>方向と平行な偏光方向の信号光を前記検出器に入射させてもよい。 Furthermore, in the optical measurement method, for example, the signal light is excited by causing the excitation light polarized in the <110> direction of the sample to be incident on the sample by polarization by the Z polarizer and condensing by the objective lens. The signal light having a polarization direction perpendicular to the <110> direction of the sample may be incident on the detector by the linear polarizer disposed on the optical path of the signal light, and the polarization by the Z polarizer. And excitation light polarized in the <100> direction of the sample by the light collected by the objective lens is incident on the sample to excite the signal light, and the linear polarizer disposed on the optical path of the signal light Signal light having a polarization direction parallel to the <100> direction of the sample may be incident on the detector.
本発明の光学測定装置及び方法によれば、試料面に垂直な方向の偏光成分で励起されるTOフォノンモードをより強く検出することができるようになり、試料面に平行な方向の偏光成分で励起されるLOフォノンモードの情報と併せれば、応力の種類や方法、大きさに関する詳細な応力解析が可能となる。 According to the optical measurement apparatus and method of the present invention, the TO phonon mode excited by the polarization component in the direction perpendicular to the sample surface can be detected more strongly, and the polarization component in the direction parallel to the sample surface can be detected. When combined with the information of the excited LO phonon mode, detailed stress analysis regarding the type, method, and magnitude of stress becomes possible.
以下、図面を参照して、本発明による光学測定装置及び方法を説明する。 Hereinafter, an optical measuring apparatus and method according to the present invention will be described with reference to the drawings.
最初に、図1を参照して、本発明の一実施形態による顕微光学測定装置の全体構成を説明する。
図1を参照すると、顕微光学測定装置10は、試料12へ向かって励起光を出射する励起用光源14と、Z偏光子16と、第1の直線偏光子18と、ノッチフィルタ20と、対物レンズ22と、第2の直線偏光子24と、分光器26と、検出器28とを備える。励起用光源14としては、連続発振又はパルス発振するレーザー光源が用いられる。顕微光学測定装置10では、励起用光源14から出射された励起光は、励起光光路に沿って試料12へ導かれ、励起光によって励起されて試料から放射された信号光が信号光光路に沿って検出器28に入射されて、検出される。
First, the overall configuration of a microscopic optical measuring apparatus according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
Referring to FIG. 1, a microscopic
励起光光路上には、Z偏光子16と、第1の直線偏光子18と、ノッチフィルタ20と、対物レンズ22と、ミラー30とが配置されており、Z偏光子16及び第1の直線偏光子18によって偏光された励起光がミラー30及びノッチフィルタ20によって反射されて励起光光路に沿って進み、対物レンズ22によって試料面に集光される。一方、信号光光路上には、対物レンズ22と、ミラー30と、ノッチフィルタ20と、第2の直線偏光子24と、分光器26と、検出器28とが配置されている。励起光によって励起され試料から放射された信号光は、対物レンズ22及びミラー30を介してノッチフィルタ20へ導かれる。ノッチフィルタ20は、特定の波長範囲の光を透過させる一方で、特定の波長範囲以外の光を反射させるフィルタであり、ここでは、励起光を反射させる一方で、励起光の波長以外の光を透過させるように選択されている。すなわち、ノッチフィルタ20は、励起光光路に沿って進んできた励起光や試料12で反射された励起光は反射する一方、励起光によって励起された信号光は透過させて、励起光と信号光とを分離させる。そして、ノッチフィルタ20を透過した信号光は信号光光路に沿って進んで、第2の直線偏光子18によって信号光のうちの特定の偏光方向の信号光が分光器26に入射されて分光された後、検出器28によって測定される。なお、ノッチフィルタ20に代えて、エッジフィルタを用いても同様の作用を得ることができる。
ところで、高い開口数(NA)の対物レンズを用いる場合、対物レンズの周辺部(すなわち周縁側)を通ってきた光は、試料面に浅い角度で入射するため、垂直方向の偏光成分が大きくなる。したがって、特に、顕微ラマン測定では、垂直方向の偏光成分で励起されるTOフォノンモードも検出することが可能になる。ところが、図2(a)に示されているように、対物レンズ22の中心に関して点対称の位置(対物レンズ22の中心に対して互いに180度反対側の位置)を通ってきた光は、焦点において、集光された光の垂直方向の偏光成分が打ち消されるようになっていると共に、横方向(試料面に平行な方向)の偏光成分は強め合うようになっている。このため、横方向の偏光で励起される信号光成分が極めて大きくなり、垂直方向の偏光成分で励起される信号光成分が覆い隠されてしまい、例えばTOフォノンモードを実際に検出することは困難であった。そこで、上記顕微光学測定装置10では、励起光光路上においてノッチフィルタ20及び対物レンズ22の前段にZ偏光子16を配置し、図2(b)に示されているように、対物レンズ22の中心に関して点対称の位置を通る光の電場ベクトルの方向(偏光方向)を180度反転させている。これにより、Z偏光子16の進相軸が90度ずれた部分を通った光は、互いに電場ベクトルの位相が180度ずれるため、励起光が対物レンズ22によって試料面に集光される焦点位置では試料面に平行な方向の偏光成分を打ち消す一方で試料面に垂直な方向の偏光成分を強めることができるようになる。
By the way, when an objective lens having a high numerical aperture (NA) is used, light that has passed through the periphery (that is, the peripheral side) of the objective lens is incident on the sample surface at a shallow angle, so that the polarization component in the vertical direction increases. . Therefore, in particular, in the microscopic Raman measurement, the TO phonon mode excited by the polarization component in the vertical direction can be detected. However, as shown in FIG. 2A, the light that has passed through a point-symmetrical position with respect to the center of the objective lens 22 (a position opposite to the center of the
なお、図2では、光線が太い実線の矢印で、光の電場ベクトルの方向(偏光方向)が点線の矢印で示されており、また、図2の拡大図中では、細い実線の矢印で平行成分と垂直成分が示されている。 In FIG. 2, the light beam is indicated by a thick solid arrow, and the direction of the electric field vector (polarization direction) is indicated by a dotted arrow. In the enlarged view of FIG. The component and the vertical component are shown.
ここで、Z偏光子16とは、図3(a)及び(b)に示されているように、中心角が180°/n(nは正の整数)の扇形2n個の半波長板あるいは180°/nの頂点を持つ多角形2n個の半波長板が180°/nの頂点を互いに共有するように接して並べられ、隣合う半波長板の進相軸の角度が右回りに90°/nずつ回転していく構造となっている光学素子である。図3(a)には、8枚の半波長板を組み合わせることによって構成されたZ偏光子16の例が示されており、図3(b)には、2枚の半波長板を組み合わせることによって構成されたZ偏光子16の例が示されている。
Here, as shown in FIGS. 3A and 3B, the
半波長板は、通過した光の進相軸に平行な電場ベクトル成分の位相が、(進相軸と90°の角度をなす)遅相軸に平行な電場ベクトルの位相に対して180°進むという性質を有している。したがって、Z偏光素子の0°の進相軸に平行な偏光が入射すると、0°のセグメントを通った光の偏光方向は変化しないが、(90°/n)×m(mは1〜nの整数)の進相軸のセグメントを通ると、電場ベクトルの方向が(180°/n)×mだけ回転するため、偏光方向が放射状に広がることになる(図4参照)。このZ偏光子を通ってきた光が、開口数NAの高い対物レンズを透過すると、焦点位置において試料面と平行な偏光成分(平行偏光成分)は焦点位置で互いに打ち消し合う一方、試料面に垂直な方向の偏光は互いに強め合うため、垂直偏光で試料を強く励起することができることになる。Z偏光子で組み合わせる半波長板の枚数は図3(a)及び(b)から分かるように、枚数が多いほど隣り合う半波長板のセグメントを通った偏光方向が、より細かい角度ステップで回転していき、焦点位置でより効率的に垂直方向の偏光が強められる。しかし、後述するように、本目的のためには半波長板が2枚であれば十分である。 In the half-wave plate, the phase of the electric field vector component parallel to the fast axis of the transmitted light advances by 180 ° with respect to the phase of the electric field vector parallel to the slow axis (which forms an angle of 90 ° with the fast axis). It has the property of Therefore, when polarized light parallel to the 0 ° fast axis of the Z-polarizing element is incident, the polarization direction of the light passing through the 0 ° segment does not change, but (90 ° / n) × m (m is 1 to n). ), The direction of the electric field vector rotates by (180 ° / n) × m, so that the polarization direction spreads radially (see FIG. 4). When the light passing through the Z-polarizer passes through an objective lens having a high numerical aperture NA, polarized components parallel to the sample surface at the focal position (parallel polarized components) cancel each other out at the focal position, while being perpendicular to the sample surface. Since polarized light in different directions reinforce each other, the sample can be strongly excited by vertically polarized light. As can be seen from FIGS. 3 (a) and 3 (b), the number of half-wave plates to be combined with the Z polarizer is rotated in finer angular steps as the number of half-wave plates increases as the number of half-wave plates increases. The vertical polarization is enhanced more efficiently at the focal position. However, as will be described later, two half-wave plates are sufficient for this purpose.
次に、第1の直線偏光子18と第2の直線偏光子24の作用を説明する。
Next, the operation of the first
例えば、Siの高空間分解能ラマン顕微分光測定では、波長364nmの励起光が使われるが、この波長におけるSiの屈折率は、nSi=6.5と非常に大きい。そのため、例えば、NA=1.4の高開口数の対物レンズを使っても、実効的な開口数NAeff=NA/nSiが0.22と小さくなってしまう。これでは、浅い角度でSiに励起光が入射しても、図5に示すように、入射角度が屈折により試料面にほぼ垂直になり、垂直偏光成分が非常に小さくなってしまう。このため、平行偏光成分で励起される信号光の強度が垂直偏光成分で励起される信号の強度よりも非常に大きくなってしまう。この結果、ラマン散乱光を用いた応力測定などでは、Z偏光子16で取り切れなかった平行偏光成分で励起されるLOフォノンモードの強度が、垂直偏光成分で励起されるTOフォノンモードよりも非常に大きくなってしまい、結果としてTOフォノンモードの検出が困難になってしまう。
For example, in high spatial resolution Raman microspectroscopic measurement of Si, excitation light having a wavelength of 364 nm is used, and the refractive index of Si at this wavelength is very large, n Si = 6.5. For this reason, for example, even if an objective lens with a high numerical aperture of NA = 1.4 is used, the effective numerical aperture NA eff = NA / n Si is reduced to 0.22. In this case, even if excitation light is incident on Si at a shallow angle, as shown in FIG. 5, the incident angle becomes almost perpendicular to the sample surface due to refraction, and the vertical polarization component becomes very small. For this reason, the intensity of the signal light excited by the parallel polarization component is much larger than the intensity of the signal excited by the vertical polarization component. As a result, in the stress measurement using Raman scattered light, the intensity of the LO phonon mode excited by the parallel polarization component that could not be removed by the
ここで、ラマン散乱光は、ラマン選択則により励起光の偏光方向に対してある一定の偏光方向をもっているため、信号光光路上に第2の直線偏光子を配置して、信号光中のLOフォノンモードの信号を遮断すれば、TOフォノンモードのラマン散乱光を選択的に検出することができる。しかしながら、図4に示すように、Z偏光子を挿入すると励起光の偏光方向の試料面に水平な成分は、回転して、一定の偏光方向ではなくなるため、信号光光路上にLOフォノンモードの信号を遮断するように直線偏光子を設置することは不可能である。そこで、図1のように、励起光光路上でZ偏光子16の後段に第1の直線偏光子18を導入し、偏光方向を一定方向に制限すれば、検出光側にLOフォノンモードの信号をカットするように直線偏光子を設置することが可能となる。
Here, since the Raman scattered light has a certain polarization direction with respect to the polarization direction of the excitation light according to the Raman selection rule, a second linear polarizer is arranged on the signal light optical path, and the LO in the signal light is arranged. By blocking the phonon mode signal, the TO phonon mode Raman scattered light can be selectively detected. However, as shown in FIG. 4, when the Z polarizer is inserted, the component horizontal to the sample surface in the polarization direction of the excitation light rotates and does not have a constant polarization direction. Therefore, the LO phonon mode is on the signal light optical path. It is impossible to install a linear polarizer to block the signal. Therefore, as shown in FIG. 1, if a first
例えば、Siにおけるラマン選択則によると、[110]に平行な偏光の励起光を入射する場合は、LOフォノンモードの信号の偏光方向は、励起光の偏光方向と垂直な[1−10]方向の偏光方向を有する。したがって、励起光光路上(すなわち入射側)に[110]偏光を透過させる直線偏光子を配置した場合は、[−110]偏光を透過させる直線偏光子を信号光光路上(すなわち出射側)に挿入することにより、LOフォノンモードの信号をカットできる。同様に、[100]偏光の励起光を入射させる場合は、[100]偏光に平行な偏光を通す直線偏光子を励起光光路上と信号光光路上に挿入することによりLOフォノンモードをカットすることができる。 For example, according to the Raman selection rule in Si, when excitation light polarized in parallel to [110] is incident, the polarization direction of the LO phonon mode signal is the [1-10] direction perpendicular to the polarization direction of the excitation light. Polarization direction. Therefore, when a linear polarizer that transmits [110] polarized light is arranged on the excitation light optical path (that is, the incident side), the linear polarizer that transmits [−110] polarized light is disposed on the signal light optical path (that is, the output side). By inserting, the LO phonon mode signal can be cut. Similarly, when [100] polarized excitation light is incident, the LO phonon mode is cut by inserting a linear polarizer that passes polarized light parallel to [100] polarized light into the excitation light optical path and the signal light optical path. be able to.
なお、図3(b)に示されているように、2枚の半波長板を組み合わせてZ偏光子16を構成している場合は、偏光方向が180°反転するだけなので、励起光光路上の第1の直線偏光子18を省略することも可能である。しかしながら、この場合でも、Z偏光子18を透過した後に偏光が乱れることがあるので、それを修正する観点から第1の直線偏光子18を挿入しておいても良い。
As shown in FIG. 3B, in the case where the
また、対物レンズ22の中心部を通過する光は、深い角度で入射するため、平行偏光成分が大きく、垂直偏光成分が小さい。よって、対物レンズ22の中央部を通過する光を遮断し、中央部の周辺部で光の通過を許容するような絞り32を挿入することにより、TOフォノンモードをより選択的に検出することができるようにすることが好ましい。図1に示されている顕微光学測定装置10では、絞り32が対物レンズ22の前段に挿入されているが、絞り32を挿入する位置は、対物レンズ22の後段でもよい。
Further, since the light passing through the central portion of the
非特許文献2に、高い開口数の対物レンズと直線偏光子のみを用いて、TOフォノンモードを測定する例が記載されているが、この場合、TOフォノンモードの信号強度より、LOフォノンモードの信号強度の方が強く観測されている。これに対して、Z偏光子と直線偏光子を用いる本発明による光学測定装置及び方法によれば、TOフォノンモードをより選択的に検出することができるため、印加されている応力が小さく、TOフォノンモードとLOフォノンモードのピーク位置の差が小さい場合でも、TOフォノンモードをより強く検出できるので、ピーク位置を正確に決めることができ、応力解析に威力を発揮する。 Non-Patent Document 2 describes an example in which the TO phonon mode is measured using only a high numerical aperture objective lens and a linear polarizer. In this case, the LO phonon mode signal intensity is determined from the signal intensity of the TO phonon mode. The signal intensity is observed stronger. On the other hand, according to the optical measuring apparatus and method according to the present invention using a Z polarizer and a linear polarizer, the TO phonon mode can be detected more selectively, so that the applied stress is small and the TO Even when the difference between the peak positions of the phonon mode and the LO phonon mode is small, the TO phonon mode can be detected more strongly, so that the peak position can be determined accurately, which is useful for stress analysis.
また、本発明による光学測定装置及び方法の対象は、Siに限らず、ダイヤモンド構造閃亜鉛鉱型構造をもつ結晶、Ge、III−V族結晶のように、ラマン選択則により、試料面に垂直な偏光をもつ励起光を用いた場合と、試料面に平行な偏光をもつ励起光を用いた場合とでは、異なるラマンモードが検出されるような試料に対しても有効である。さらに、検出する信号光も、ラマン散乱に限らず、試料面に垂直な偏光で励起される信号光が、試料面に平行な偏光で励起される信号が異なる場合、試料面に垂直な偏光で励起される信号を選択的に検出するのに有効である。 The object of the optical measurement apparatus and method according to the present invention is not limited to Si, but is perpendicular to the sample surface according to the Raman selection rule, such as a crystal having a zinc-blende structure, a Ge, and a III-V group crystal. This is also effective for a sample in which different Raman modes are detected when excitation light having an arbitrary polarization is used and when excitation light having a polarization parallel to the sample surface is used. Further, the signal light to be detected is not limited to Raman scattering, but when the signal light excited by the polarization perpendicular to the sample surface differs from the signal excited by the polarization parallel to the sample surface, the signal light is polarized perpendicular to the sample surface. This is effective for selectively detecting the excited signal.
このように、本発明にの光学測定装置及び光学測定方法によれば、TOフォノンモードのラマン散乱光を検出することができるようになり、検出されたラマン散乱光のスペクトルのピークのシフト量に基づいて、試料に作用する応力を測定することが可能になる。 As described above, according to the optical measurement device and the optical measurement method of the present invention, it becomes possible to detect the Raman scattered light in the TO phonon mode, and the shift amount of the peak of the spectrum of the detected Raman scattered light is increased. Based on this, the stress acting on the sample can be measured.
以上、図1に示される顕微光学測定装置10を参照して、本発明による光学測定装置及び方法について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、光学測定装置の構造は、図1に示されている顕微光学測定装置10の構造に限定されるものではなく、例えば第1の直線偏光子18を省略したり、絞り32を省略してもよい。
The optical measurement apparatus and method according to the present invention have been described above with reference to the microscopic
BOX(Buried Oxicide)層の上に、80nmのSiGe層、その上に、15nmの歪みSi層が形成されたSSGOI基板を試料とした。ラマンスペクトルは、NA=1.4の油浸の対物レンズ22を装着した共焦点顕微ラマン分光システムを用いて測定した。励起光の波長は364nm、偏光方向はSi[110]に平行とした。
An SSGOI substrate having an 80 nm SiGe layer formed on a BOX (Buried Oxide) layer and a 15 nm strained Si layer formed thereon was used as a sample. The Raman spectrum was measured using a confocal microscopic Raman spectroscopic system equipped with an oil
このSSGOI基板の顕微ラマンスペクトルを、励起用光源14から発せられた励起レーザー光が励起光光路上において対物レンズ22に入射する前に12セグメント(12枚の半波長板)からなるZ偏光子16を挿入した場合と、挿入しなかった場合について測定してみたところ、図6に示されているように、測定された顕微ラマンスペクトルは両者とも同じ形状で、513.3cm-1にピークを有するローレンツ曲線一つでフィットできた。すなわち、何れの場合でも、ほとんど、LOモードしか検出されなかったことがわかる。これは上述したように、Siの364nmにおける屈折率が6.5と非常に大きいため、NA=1.4の対物レンズ22を用いても、実効的な開口数NAeff=NA/nSiが0.22と小さくなって、垂直偏光成分が非常に小さくなってしまい、Z偏光子16で取りきれなかった励起光の平行偏光成分によって励起されたLOモードの信号強度が、TOモードの信号強度に比べ、極めて大きくなってしまうためである。
The microscopic Raman spectrum of the SSGOI substrate is converted into a
実施例1で測定した試料において、[110]偏光で励起されたLOモードのラマン散乱光は、[110]方向の偏光成分を有するため、偏光方向が[110]方向になるように励起光光路上であってZ偏光子16の後段に第1の直線偏光子18を設置し、励起光光路上に[110]方向の偏光成分をカットするように第2の直線偏光子24を挿入すれば、TOモードの信号を選択的に検出できる。12セグメント(12枚の半波長板)からなるZ偏光子16と第1の直線偏光子18及び第2の直線偏光子24とを用いて測定した結果を図7(a)に示し、第1の直線偏光子18及び第2の直線偏光子24のみを用いて測定した結果を図7(b)に示す。双方とも、TOモードとLOモードを検出することができているが、Z偏光子16を用いずに第1の直線偏光子18及び第2の直線偏光子24のみを用いた場合は、LOフォノンモードの強度が、TOフォノンモードの強度よりも強いが、Z偏光子16と第1の直線偏光子18及び第2の直線偏光子24とを用いた場合は、TOフォノンモードの方を強く検出することができた。
In the sample measured in Example 1, the LO-mode Raman scattered light excited by [110] polarized light has a polarization component in the [110] direction, and thus the excitation light is set so that the polarization direction becomes the [110] direction. If the first
なお、2セグメントからなるZ偏光子16を用いる場合、励起レーザーの偏光方向を正確に[110]方向に調整すれば、励起光光路上の第1の直線偏光子18を省略することが可能である。
When using a Z-
実施例2で測定した試料において、Z偏光子16と第1の直線偏光子18及び第2の直線偏光子24に加え、対物レンズ中心部を通過する励起光を遮断し、周辺部(中心部よりも外側の部分)を通過する光を通すような絞り32を、対物レンズ22の前に挿入し、ラマンスペクトルを測定した。図8に示されているように、TOフォノンモードが、LOフォノンモード対して、さらに強く検出することができた。測定された、LOフォノンモード、TOフォノンモードのそれぞれのピーク位置、513.4cm-1、514.9cm-1から、SSGOI基板には1.6GPaの等方的2軸張力が印加されていることが分かった。
In the sample measured in Example 2, in addition to the
本発明は、計測機器、半導体産業、例えば、シリコン基板・デバイスのひずみ分布測定装置等に広く利用することが可能である。 The present invention can be widely used in measuring instruments, semiconductor industries, for example, strain distribution measuring apparatuses for silicon substrates and devices, and the like.
10 顕微光学測定装置
12 試料
14 励起用光源
16 Z偏光子
18 第1の直線偏光子
20 ノッチフィルタ
22 対物レンズ
26 分光器
28 検出器
30 ミラー
32 絞り
DESCRIPTION OF
Claims (18)
前記試料へ向かう前記励起光の光路上に配置されるZ偏光子と、前記Z偏光子により偏光された励起光を試料面に集光する対物レンズと、前記試料から前記検出器へ向かう前記信号光の光路上に配置される直線偏光子とを備え、前記Z偏光子を用いた偏光と前記対物レンズによる集光とにより、前記試料面に垂直な偏光方向の励起光を前記試料面に入射させると共に、前記直線偏光子を用いた偏光で、前記試料面に垂直な偏光方向の励起光で励起された前記信号光のうちの予め定められた偏光方向の前記信号光を前記検出器に入射させ、検出させるようにしたことを特徴とする光学測定装置。 An optical measurement device that irradiates a sample with excitation light and detects the signal light excited by the excitation light and emitted from the sample by a detector,
A Z-polarizer disposed on the optical path of the excitation light toward the sample, an objective lens for condensing the excitation light polarized by the Z-polarizer on the sample surface, and the signal from the sample toward the detector A linear polarizer disposed on the optical path of the light, and excitation light having a polarization direction perpendicular to the sample surface is incident on the sample surface by polarization using the Z polarizer and condensing by the objective lens In addition, the signal light having a predetermined polarization direction out of the signal light excited by excitation light having a polarization direction perpendicular to the sample surface is incident on the detector. An optical measuring device characterized in that it is made to detect.
Z偏光子で偏光した励起光を対物レンズで試料面に集光し、入射させると共に、直線偏光子を用いた偏光で、前記試料面に垂直な偏光方向の励起光で励起された前記信号光のうちの予め定められた偏光方向の前記信号光を検出するようにしたことを特徴とする光学測定方法。 An optical measurement method for irradiating a sample with excitation light and detecting signal light excited by the excitation light and emitted from the sample,
The excitation light polarized by the Z-polarizer is focused on the sample surface by the objective lens and incident on the sample surface, and the signal light is excited by excitation light having a polarization direction perpendicular to the sample surface, using polarized light using a linear polarizer. An optical measurement method characterized in that the signal light having a predetermined polarization direction is detected.
The optical measurement method according to claim 8, wherein a stress acting on the sample is measured based on a shift amount of a detected peak of a spectrum of Raman scattered light.
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